DE3802869C2

DE3802869C2 -

Info

Publication number: DE3802869C2
Application number: DE3802869A
Authority: DE
Inventors: Heinz Dr.Rer.Nat. Dimigen; Hubertus 2000 Hamburg De Huebsch; Klaus Dipl.-Ing. 2080 Pinneberg De Kobs
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1988-02-01
Filing date: 1988-02-01
Publication date: 1991-02-14
Also published as: EP0327157A3; DE3802869A1; DE58907989D1; EP0327157A2; ATE108282T1; JPH01232614A; EP0327157B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Kontaktschicht gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.

Die spezifischen Einsatzbedingungen elektrischer Kontakte und die daraus resultierenden Werkstoffanforderungen haben zur Folge, daß für die meisten Kontaktsysteme vorzugsweise Kontaktwerkstoffe auf Edelmetallbasis eingesetzt werden. Der technische Fortschritt, insbesondere in der Elektronik und Elektrotechnik, erfordert nun eine Bereitstellung von Edelmetallen in ständig steigenden Mengen, der nur ein be grenztes und stark rückläufiges Aufkommen an Edelmetallen auf dem Weltmarkt gegenübersteht. Der Einsatz und die Wei terentwicklung von Kontaktwerkstoffen sind deshalb vor allem bestimmt von der Notwendigkeit zur Substitution von Edelmetallen, was durch Herabsetzung des Legierungs anteils, durch geometrische Minimierung des Kontaktvolu mens und durch Entwicklung neuer Kontaktwerkstoffe, die ohne Edelmetalle auskommen, erreicht werden kann. Aus die sem Grund werden heute z.B. Kontaktwerkstoffe auf Basis hochschmelzender Metalle wie Wolfram, Molybdän und Rhenium eingesetzt, die sich neben ihren hohen Schmelzpunkten durch hohe Härte und Festigkeit auszeichnen, was eine hohe Verschleiß- und Abbrandfestigkeit der aus ihnen herge stellten Kontakte zur Folge hat. Mit dem Einsatz von rei nen hochschmelzenden Metallen als Kontaktwerkstoff sind jedoch gewisse Probleme verbunden.

Reine Wolframkontakte sind im Hinblick auf ihre Strombe lastbarkeit infolge der geringen elektrischen Wärmeleitfä higkeit nur begrenzt einsetzbar, außerdem ist Wolfram ge genüber Sauerstoff oberhalb einer Temperatur von 400°C unbeständig und es bilden sich beim Schalten an Luft oxi dische Fremdschichten, die zu einem Fremdschichtwiderstand und damit zu einer Erhöhung des Kontaktwiderstandes füh ren. Für eine sichere Kontaktgabe sind deshalb Kontakt kräfte von wenigstens 1 N erforderlich, oder es ist eine reibende Betätigung der Kontakte vorzusehen. Die Her stellung des Ausgangshalbzeugs für Wolframkontakte erfolgt pulvermetallurgisch durch Pressen und Sintern von Pulver, aufgrund der geringen Duktilität und der hohen Festigkeit ist die mechanische Bearbeitung von Wolfram jedoch schwie rig.

Molybdän erreicht, bedingt durch seine physikalischen Ei genschaften, nicht die herausragenden Kontakteigenschaften von Wolfram. Es wird als billigeres Metall jedoch für solche Fälle bevorzugt, die den Einsatz von Wolfram nicht unbedingt erforderlich machen.

Der Vollständigkeit halber ist anzumerken, daß aus DE-PS 6 51 594 ein Kontaktwerkstoff für Schalter in Form von Boriden der Metalle der Gruppen IV bis VI des PSE bekannt war.

Aus DE-PS 6 98 283 waren Legierungen für Schaltkontakte auf Basis von Kupfer mit einem Zusatz von Blei, Silber oder Selen in einer Menge von 0,2 bis 5 Gew.-% bekannt. Aus DE-PS 4 54 037 war Blei- und/oder Wismutsulfid als Werkstoff für eine Kontaktvorrichtung bekannt. Aus DE-PS 34 30 490 war eine Schaltkammer für ein elektrisches Schaltgerät bekannt, in welcher Kontaktstücke aus einem Kontaktwerkstoff eingeschlossen sind, der Kupfer und 35 bis 75 Vol.-% Wolfram oder Molybdän und 1 bis 6 Vol.-% mindestens eines Metalls aus der Gruppe Tellur, Antimon und Wismut enthält.

Aus DE-AS 12 15 938 war ein elektrischer Schleifkontakt (und ein Verfahren zu dessen Herstellung) auf Basis von 51 bis 98% Silber, Rest Rheniumdisulfid bekannt, wobei bis zu 20% des Silbers durch Gold, Zinn, Kupfer, Cadminium, Indium und/oder Blei ersetzt sein können.

Aus DE-OS 35 09 022 war ein Verfahren zur Herstellung von elektrischen Kontaktteilen mit einem Kontaktwerkstoff bekannt, der als Hauptbestandteil Silber oder Nickel oder Molybdän oder Wolfram oder Kupfer enthält und als Zusatzstoff Metalle oder Chalkogenide von Metallen der Gruppen Ib, IIb, III, IVa, IVb, VIa und VII des PSE.

Aus Metallwissenschaft und Technik 41 (1987), Nr. 7, Seiten 707 bis 713 war es bekannt, die tribologischen oder die Korrosions-Eigenschaften von Edelmetallkontakten durch Implantation von Stickstoff- oder Borionen zu verbessern. Aus Vakuum-Technik 31 (1982), Seiten 46 bis 60 war ein Überblick über die gängigen Methoden zum Herstellen von funktionalen Oberflächenschichten, insbesondere CVD- und PVD-Verfahren, bekannt.

Aus DE-AS 25 36 985 war ein elektrischer Kontakt bekannt, der aus einer mehrlagigen Kontaktschicht aufgebaut ist. Auf eine Trägerschicht aus einem unedlen Metall, das oxidieren kann, wird eine poröse Edelmetallschicht aus Gold oder eine Goldlegierung aufgebracht, wobei sich in den Poren der Edelmetallschicht das Oxid des darunterliegenden unedlen Metalls bilden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Kontaktschichten auf Basis von aus den Chalkogenen Sauerstoff, Schwefel, Selen und/oder Tellur gebildeten Chalkogeniden von Übergangsmetallen der Gruppen IVa bis VIa des PSE bereitzustellen, aus denen auf wirtschaftliche Weise Dünn- und Dickschichtkontakte beliebiger Konfiguration herstellbar sind, die die eingangs genannten Nachteile nicht aufweisen und die den besonderen Vorzug haben, daß sie neben niedrigen Gleitreibungskoeffizienten relativ niedrige Werte für den Kontaktwiderstand R_K aufweisen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Kennzeichens des Anspruches 1 gelöst.

Nach vorteilhaften Weiterbildungen der Kontaktschicht gemäß der Erfindung werden Chalkogenide der Übergangsmetalle Titan, Zirkon, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän und/oder Wolfram eingesetzt, wobei die Struktur der Chalkogenid-Schicht vorteilhafterweise durch Beschuß mit Ionen einer Energie im Bereich von 0,5 keV bis 400 keV und einer Dosis im Bereich von 10¹⁵ bis n × 10¹⁸/cm² modifiziert ist. Nach weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen der Kontaktschicht gemäß der Erfindung ist die Chalkogenid-Schicht mit Inertgasionen, vorzugsweise Stickstoffionen, oder Edelgasionen, vorzugsweise Argonionen, beschossen.

Ein Verfahren zur Herstellung einer durch Chemical oder Physical Vaopour Deposition auf einem Substrat abgeschiedenen Kontaktschicht aus den Chalkogenen Sauerstoff, Schwefel, Selen und/oder Tellur gebildeten Chalkogeniden von Übergangsmetallen der Gruppen IVa bis VIa des Periodischen Systems der Elemente (PSE) ist dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur der Schicht durch Ionenbeschluß modifiziert wird.

Schichten aus Chalkogeniden von Übergangsmetallen besitzen sehr niedrige Gleitreibungskoeffizienten, weisen jedoch einen hohen Kontaktwiderstand R_K auf, so daß sie als Kontaktwerkstoff ungeeignet sind. Überraschenderweise wurde jedoch gefunden, daß die Werte für den Kontaktwiderstand R_K um bis zu Größenordnungen verringert werden können, wenn die Struktur der Chalkogenid-Schichten während oder nach Aufbringen auf ein Substrat modifiziert wird, was durch einen Ionenbeschuß erreicht werden kann.

Dieser Effekt beruht nicht auf einer Dotierung des Schichtmaterials mit Fremdionen, wie es z. B. aus der Halbleitertechnologie bekannt ist. Die Verringerung des Kontaktwiderstandes der erfindungsgemäßen Schichten ergibt sich auch bei Beschuß mit Ionen von Elementen, die gemeinhin nicht zu Dotierungszwecken eingesetzt werden, z. B. Edelgas- oder Inertgasionen. Es kann angenommen werden, daß die Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit oder die Herabsetzung des Kontaktwiderstandes von Chalkogenid-Schichten eine Folge von Strukturveränderungen der Schichten nach einem Ionenbeschuß ist. Nach einem Beschuß mit z. B. hochenergetischen Ionen zeigte sich bei Untersuchungen an im Rahmen der vorliegenden Erfindung hergestellten Schichten eine Erhöhung der Dichte der Schichten um bis zu 40%.

Bei einer aus mehreren Teilschichten aufgebauten dickeren Kontaktschicht kann der Ionenbeschuß so durchgeführt werden, daß jeweils die Teilschichten mit Ionen beschossen werden, wobei sich dieser Prozeßablauf wiederholen kann, bis die gewünschte Anzahl von Teilschichten und damit die gewünschten Gesamtschichtdicke erreicht ist. Für diesen Fall er gibt sich der Vorteil, daß auch Schichten größerer Dicke, vorzugsweise einer Schichtdicke im Bereich von 0,1 bis 10 µm, in ihrer Struktur modifiziert werden können, wozu vorteilhafterweise niederenergetische Ionen einer Energie im Bereich von 0,5 keV bis 100 keV und einer Dosis im Bereich von 10¹⁵ bis n × 10¹⁸/cm², vorzugsweise einer Dosis im Bereich von 3 × 10¹⁵ bis 10¹⁶/cm², eingesetzt werden.

Wenn Schichten geringerer Dicke, vor zugsweise im Bereich von einer Monolage bis 2 µm, in ihrer Struktur modifiziert werden sollen, erfolgt dies vorteilhafterweise mittels Beschuß mit höherenergetischen Ionen einer Energie im Bereich von 50 keV bis 400 keV und einer Dosis im Bereich von 10¹⁵ bis n × 10¹⁸/cm², vorzugsweise einer Dosis im Bereich von 3 × 10¹⁵ bis 10¹⁶/cm².

Nach vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung wird die Chalkogenid-Schicht mit Inertgasionen, vorzugsweise Stickstoffionen, oder Edelgasionen, vorzugsweise Argonionen, beschossen.

Nach weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen des Verfahrens gemäß der Erfindung wird die Chalkogenid-Schicht durch Ka thodenzerstäubung hergestellt, wobei der Abscheidungspro zeß vorteilhafterweise Magnetfeld-unterstützt, also unter Einsatz eines Magnetrons, durchgeführt werden kann. Die Chalkogenid-Schichten können jedoch auch mittels anderer Verfahren, die zum Abscheiden von dünnen oder dicken Schichten bekannt sind, abgeschieden werden. Zu denken ist hier insbesondere an eine Abscheidung mittels Chemical Va pour Deposition, wie Plasma-unterstützte Abscheidung aus der Gasphase, an reaktive Kathodenzerstäubung, an Plasma unterstützte Abscheidung aus der Gasphase, an Aufdampfver fahren, an Ionenplattierungsverfahren mit einer hohen Vor spannung am Substrat oder an eine Ionisierung des abzu scheidenden Schichtmaterials im Lichtbogen, gegebenenfalls in einer reaktiven Gasphase aus z.B. Schwefelwasserstoff gas oder Schwefel in der Gasphase.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbe sondere darin, daß Kontaktschichten bereitgestellt wer den, die keine Edelmetalle benötigen, aus denen auf wirt schaftlich günstige Weise Kontakte beliebiger Konfi guration hergestellt werden können und die besonders nie drige Gleitreibungskoeffizienten, auch im Vakuum, aufwei sen, was für die Herstellung von z.B. Kontakten, die einer mechanischen Schiebe- oder Schleifbeanspruchung ausgesetzt werden sollen, sehr günstig ist.

Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Kontaktschichten ist, daß ihr Kontaktwiderstand weniger als bei Kontakten aus reinen unedlen Metallen durch einen Fremdschichtwider stand infolge Ausbildung von Fremd- oder Deckschichten durch z.B. oxidierende Einwirkung des umgebenden Mediums in unerwünschter Weise erhöht wird.

Die erfindungsgemäßen Schichten zeigen eine besonders gute Haftfestigkeit auf Stahlsubstraten, haftverbessernde Zwi schenschichten sind hier nicht erforderlich.

Ein weiterer erheblicher Vorteil aus ökonomischer Sicht ist darin zu sehen, daß sowohl der für die Herstellung der Chalkogenid-Schichten vorzugsweise vorgesehene Kathoden zerstäubungsprozeß als auch der für die Strukturverände rung der Chalkogenid-Schichten vorzugsweise vorgesehene Ionenimplantationsprozeß mit kommerziell erhältlichen Ma schinen ausführbar ist.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung be schrieben und in ihrer Wirkungsweise erläutert.

Zur Ausbildung der Chalkogenid-Schichten kommen Chalkoge nide der Übergangsmetalle Titan, Zirkon, Hafnium, Vana dium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän und/oder Wolfram in Betracht, wobei es sich nicht um stöchiometrische Chalko genide handeln muß. Es wurden z.B. dünne MoS_x-Schichten mit x = 1,5 bis 2,1 in Schichtdicken im Bereich von 0,11 bis 0,43 µm im Hinblick auf ihre Gleitreibungskoeffizien ten und ihre Kontaktwiderstände untersucht.

Als Ausführungsbeispiel wird die Herstellung einer MoS_1,8-Schicht auf einem Substrat aus 100 Cr₆-Stahl mittels HF-Kathodenzerstäubung bei einer Leistung von 6 W/cm² beschrieben. Zur Herstellung von derartigen Schich ten werden folgende Parameter eingesetzt:

1. Ionenätzen des Substrates in einer Argonatmosphäre über eine Dauer von 10 min;
2. MoS_1,8-Abscheidung durch Kathodenzerstäubung eines Targets der Zusammensetzung MoS_2,2 in einer Atmosphäre aus Argon eines Drucks von 3 × 10^-2 mbar.

Die Abscheidedauer betrug zur Herstellung einer 0,11 µm dicken Schicht 6 min, zur Herstellung einer 0,43 µm dicken Schicht 20 min.

Nach Beendigung des Abscheidungsprozesses wurden die erhaltenen Schichten unter Anwendung einer Hochstrom- Ionenimplantationsanlage mit Argon- oder Stickstoffionen beschossen:

Implantationsparameter für Argon:
Schichtdicke 0,43 µm:	Implantationsenergie: 150 keV
	Dosis: 3×10¹⁵/cm²
	Implantationsenergie: 400 keV
	Dosis: 1×10¹⁶/cm²

Implantationsparameter für Stickstoff:
Schichtdicke 0,11 µm:	Implantationsenergie: 150 keV
	Dosis: 1×10¹⁶/cm²
Schichtdicke 0,43 µm:	Implantationsenergie: 100 keV
	Dosis: 1×10¹⁶/cm²
	Implantationsenergie: 150 keV
	Dosis: 3×10¹⁵/cm²
	Implantationsenergie: 150 keV
	Dosis: 1×10¹⁶/cm²

Anstelle von Argon- oder Stickstoffionen können z.B. auch Silicium- oder Wasserstoffionen in die Chalkogenid-Schich ten implantiert werden. Die Implantationsparameter sind im Rahmen des vorliegenden Verfahrens vom Fachmann ohne Schwierigkeiten ermittelbar.

In der nachfolgenden Tabelle sind die Werte für den Rei bungskoeffizienten μ und die Werte für den Kontaktwider stand R_K vor und nach einer Ionenimplantion für unter schiedliche Chalkogenid-Schichten angegeben.

Die Werte für den jeweiligen Kontaktwiderstand wurden mittels einer Gegenelektrode aus Gold gemessen.

Tabelle

Claims

1. Kontaktschicht in Form einer Schicht aus den Chalkogenen Sauerstoff, Schwefel, Selen und/oder Tellur gebildeten Chalkogeniden von Übergangsmetallen der Gruppen IVa bis VIa des Periodischen Systems der Elemente (PSE) auf einem Substrat, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur der Schicht durch Ionenbeschuß modifiziert ist.

3. Kontaktschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktwerkstoff aus Chalkogeniden der Übergangs metalle Titan, Zirkon, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän und/oder Wolfram gebildet ist.

3. Kontaktschicht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur der Chalkogenid-Schicht durch Beschuß mit Ionen einer Energie im Bereich von 0,5 keV bis 400 keV und einer Dosis im Bereich von 10¹⁵/cm² bis n × 10¹⁸/cm² modifiziert ist.

4. Kontaktschicht nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Chalkogenid-Schicht mit Ionen einer Dosis im Bereich von 3 × 10¹⁵/cm² bis 10¹⁶/cm² beschossen ist.

5. Kontaktschicht nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Chalkogenid-Schicht mit Inertgasionen, vorzugsweise Stickstoffionen, beschossen ist.

6. Kontaktschicht nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Chalkogenid-Schicht mit Edelgasionen, vorzugsweise Argonionen, beschossen ist.

7. Kontaktschicht nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Chalkogenid-Schicht eine Dicke im Bereich von ei ner Monolage bis 10 µm hat.

8. Kontaktschicht nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Chalkogenid-Schicht eine Dicke im Bereich von 0,1 bis 10 µm, vorzugsweise 0,1 bis 2 µm, hat.

9. Verfahren zur Herstellung einer durch Chemical oder Physical Vapour Deposition auf einem Substrat abgeschiedenen Kontaktschicht aus aus den Chalkogenen Sauerstoff, Schwefel, Selen und/oder Tellur gebildeten Chalkogeniden von Übergangsmetallen der Gruppen IVa bis VIa des Periodischen Systems der Elemente (PSE) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur der Schicht durch Ionenbeschuß modifiziert wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht durch Kathodenzerstäubung hergestellt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kathodenzerstäubungsprozeß Magnetfeld-unterstützt durchgeführt wird.

12. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß Chalkogenide der Übergangsmetalle Titan, Zirkon, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän und/oder Wolfram gebildet werden.

13. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Chalkogenid-Schicht mit Ionen einer Energie im Bereich von 0,5 bis 400 keV und einer Dosis im Bereich von 10¹⁵/cm² bis n×10¹⁸/cm² beschossen wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Chalkogenid-Schicht mit Ionen einer Dosis im Bereich von 3 × 10¹⁵/cm² bis 10¹⁶/cm² beschossen wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Chalkogenid-Schicht mit Ionen einer Energie im Bereich von 0,5 bis 100 keV beschossen wird.

16. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Chalkogenid-Schicht mit Ionen einer Energie im Bereich von 50 keV bis 400 keV beschossen wird.

17. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Chalkogenid-Schicht mit Inertgasionen, vorzugsweise Stickstoffionen, beschossen wird.

18. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Chalkogenid-Schicht mit Edelgasionen, vorzugsweise Argonionen, beschossen wird.

19. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Chalkogenid-Schicht mit einer Dicke im Bereich einer Monolage bis 10 µm abgeschieden wird.